基於地勘成果的水下隧道地應力場DDM反演方法與流程
2023-05-31 13:34:31
本發明涉及水下隧道工程領域的地應力場反演方法，具體涉及一種採用位移不連續法(DDM)作為計算工具的基於地勘成果的水下隧道地應力場反演方法。
背景技術：
對隧道等地下工程而言，地應力既是工程巖體的應力賦存狀態，又是工程設計所必須考慮的荷載來源。地應力直接測試的主要方法有套芯應力解除法、水壓致裂法、應變恢復法、鑽孔崩落法、聲發射法等，但地應力測試獲得的是若干離散點的地應力值，工程建設需要的是整個工程區域的地應力場分布，此時就需要進行地應力場反演。目前常見的地應力場反演方法主要有基於實測地應力值的數理統計方法、灰色理論方法、人工智慧方法等。
對水下隧道工程而言，工程巖體上部為水域環境，從水面進行地應力測試時，在鑽孔的同時難以避免水的侵入，進而造成地應力測試的困難，甚至某些測試方法無法實現，而地勘鑽孔則仍可實現。但地勘鑽孔僅可提供地質信息與巖石的物理力學指標，以往常見的基於實測地應力值得地應力場反演無法實施。
通過對現有技術文獻的檢索，目前還未見針對水下隧道地應力場提出的反演方法，一般的地應力場反演主要都是基於實測地應力值進行的。因此，需要建立便於操作的、可基於地勘成果進行的水下隧道地應力場反演方法，以解決水下隧道等工程需求。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明針對上述水下隧道地應力場反演方法的不足，提供一種基於地勘成果的水下隧道地應力場反演方法，克服上述技術背景存在的難以實測地應力、在無實測地應力值時難以實現地應力場反演的問題。
為實現上述目的，本發明的基於地勘成果的水下隧道地應力場DDM反演方法，包括以下步驟：
第一步，在擬建隧道區域，進行水上工程地質勘測，並通過試驗獲得所需的巖體物理力學參數信息，包括巖石的壓縮模量Es、巖石密度ρ、巖石泊松比μ、斷層的粘聚力c和內摩擦角φ；
其中水上工程地質勘測鑽孔的具體要求為：採用168mm孔徑鑽機鑽孔，鑽孔取芯9處，沿擬建隧道軸線方向布置三列三行鑽孔，鑽孔深度超過隧道底板以下3倍隧道高度的距離；
第二步，根據9個鑽孔取芯巖樣，繪製三維空間9個巖柱分布柱狀圖，確定巖體斷裂構造的產狀信息指標，包括走向、傾向、斷層厚度、實際張開閉合值h以及實際滑移值w；
第三步，根據前兩步信息，建立水下隧道位移不連續法DDM數值模型，模型中需建立地表面(即水底面)，並需在該面劃分的各單元法向上可以施加水壓力，還需根據第二步信息建立斷裂構造面，在模型中輸入第一步獲得的巖體物理力學參數；
第四步，在豎向施加重力荷載，採用DDM數據處理模塊進行DDM處理，獲得本步驟的初始地應力場，提取斷裂構造面單元對應的張開閉合值、滑移值；
第五步，在地表面(即水底面)上施加法向水壓力荷載，採用DDM數據處理模塊進行DDM處理，獲得本步驟的初始地應力場，提取斷裂構造面單元對應的張開閉合值、滑移值；
第六步，施加水平1方向壓力荷載，採用DDM數據處理模塊進行DDM處理，獲得本步驟的初始地應力場，提取斷裂構造面單元對應的張開閉合值、滑移值；
第七步，施加水平2方向壓力荷載，採用DDM數據處理模塊進行DDM處理，獲得本步驟的初始地應力場，提取斷裂構造面單元對應的張開閉合值、滑移值；
第八步，根據第二步的信息以及第四至第七步獲得的初始地應力場結果，進行擬合反演，獲得最終的隧道地應力場。
進一步，第八步中，所述擬合反演包括兩種方式，第一種方式為：給第四步至第七步計算得到的斷裂構造面的張開閉合值hⅰ配置一個初始權重係數kⅰ,各計算值乘以各自的權重係數後求和，將該求和值與第二步測得的斷裂構造實際張開閉合值h相減，該差值的平方S殘＝(h-∑hⅰkⅰ)2即為反演的最小二乘殘差平方,根據最小乘法原理，求得使S殘最小的權重係數Lⅰ,最終的水下隧道地應力場，由四步至第七步的初始地應力場乘以各自的最終權重係數Lⅰ後求和得到；同理，第二種方式為：給第四步至第七步計算得到的斷裂構造面的滑移值wⅰ配置一個初始權重係數kⅰ,各計算值乘以各自的權重係數後求和，將該求和值與第二步測得的斷裂構造實際張開閉合值w相減，該差值的平方S殘＝(w-∑wⅰkⅰ)2即為反演的最小二乘殘差平方,根據最小乘法原理，求得使S2最小的權重係數Lⅰ,最終的水下隧道地應力場，由四步至第七步的初始地應力場乘以各自的最終權重係數Lⅰ後求和得到；其中，ⅰ對應鑽孔地應力的各個分量，ⅰ＝1,2…4。
本發明的有益技術效果是：本發明的基於地勘成果的水下隧道地應力場DDM反演方法，包括獲得所需的巖體物理力學參數信息、確定巖體斷裂構造的產狀信息指標、建立水下隧道位移不連續法DDM數值模型、獲得施加重力載荷的初始地應力場、獲得施加法向水壓力載荷的初始地應力場、獲得施加水平1方向壓力載荷的初始地應力場、獲得施加水平2方向壓力載荷的初始地應力場以及依靠擬合反演得到最終地應力場的步驟過程。具有操作方便、結果精確、能基於地勘成果進行水下隧道地應力場反演的優點。
附圖說明
下列結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步的詳細描述。
圖1為DDM數值模型圖；
圖2為水下隧道地應力場豎向反演結果圖；
圖3為水下隧道地應力場水平方向1反演結果圖；
圖4為水下隧道地應力場水平方向2反演結果圖。
具體實施方式
下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的適用範圍不限於下述的實施例。
實施例
某水下隧道工程擬建於水下花崗巖層中。工程區域主要受1條斷層影響。布置了9個地勘鑽孔。擬採用基於水下隧道工程區域地勘結果的反演方法獲得地應力場，本實施例中沒有詳細說明的部分，按照發明內容描述的技術方案進行操作，發明內容中沒有說明的部分，採用本領域常規操作進行。
第一步，在擬建隧道區域，進行水上工程地質勘測，並通過試驗獲得所需的巖體物理力學參數信息，包括巖石的壓縮模量Es、巖石密度ρ、巖石泊松比μ、斷層的粘聚力c和內摩擦角φ；
其中水上工程地質勘測鑽孔的具體要求為：採用168mm孔徑鑽機鑽孔，鑽孔取芯9處，沿擬建隧道軸線方向布置三列三行鑽孔，鑽孔深度超過隧道底板以下3倍隧道高度的距離；
所述的通過室內試驗測定各鑽孔的巖土物理力學參數信息，包括單軸壓縮試驗，密度試驗，剪切試驗，三軸壓縮試驗。
所述的單軸壓縮試驗，是指通過室內單軸壓縮試驗儀測得各巖土層的壓縮模量Es。
所述的密度試驗，是指採用短頸密度瓶測試巖石的顆粒密度ρ。
所述的剪切試驗，是指採用不固結不排水試驗確定斷層的粘聚力c。
所述的三軸壓縮試驗，是指採用三軸試驗儀，測定巖土體的靜止側壓力係數K0，並換算泊松比通過三軸試驗繪製不同圍壓的莫爾圓，得到斷層的內摩擦角φ。
巖體物理力學參數地勘結果見表1。
表1
第二步，根據9個鑽孔取芯巖樣，繪製三維空間9個巖柱分布柱狀圖，確定巖體斷裂構造的產狀信息指標，包括走向、傾向、斷層厚度、實際張開閉合值h以及實際滑移值w。
巖體斷裂構造的產狀信息指標見表2。
表2
第三步，根據前兩步信息，建立水下隧道位移不連續法DDM數值模型，DDM數值模型如圖1所示，模型中需建立地表面(即水底面)，並需在該面劃分的各單元法向上可以施加水壓力，還需根據第二步信息建立斷裂構造面，在模型中輸入第一步獲得的巖體物理力學參數；
第四步，在豎向施加重力荷載，採用DDM數據處理模塊進行DDM處理，獲得本步驟的初始地應力場，提取斷裂構造面單元對應的張開閉合值、滑移值，其中張開閉合值、滑移值分別為18.6cm、12.4cm；
第五步，在地表面(即水底面)上施加法向水壓力荷載，採用DDM數據處理模塊進行DDM處理，獲得本步驟的初始地應力場，提取斷裂構造面單元對應的張開閉合值、滑移值，其中張開閉合值、滑移值分別為11.5cm、7.7cm；
第六步，施加水平1方向壓力荷載，採用DDM數據處理模塊進行DDM處理，獲得本步驟的初始地應力場，提取斷裂構造面單元對應的張開閉合值、滑移值，其中張開閉合值、滑移值分別為5.3cm、3.5cm；
第七步，施加水平2方向壓力荷載，採用DDM數據處理模塊進行DDM處理，獲得本步驟的初始地應力場，提取斷裂構造面單元對應的張開閉合值、滑移值，其中張開閉合值、滑移值分別為3.5cm、2.4cm；
第八步，根據第二步的信息以及第四至第七步獲得的初始地應力場結果，進行擬合反演，獲得最終的隧道地應力場。
上述第八步中，所述擬合反演包括兩種方式，第一種方式為：給第四步至第七步計算得到的斷裂構造面的張開閉合值hⅰ配置一個初始權重係數kⅰ,各計算值乘以各自的權重係數後求和，將該求和值與第二步測得的斷裂構造實際張開閉合值h相減，該差值的平方S殘＝(h-∑hⅰkⅰ)2即為反演的最小二乘殘差平方,根據最小乘法原理，求得使S殘最小的權重係數Lⅰ,最終的水下隧道地應力場，由四步至第七步的初始地應力場乘以各自的最終權重係數Lⅰ後求和得到；同理，第二種方式為：給第四步至第七步計算得到的斷裂構造面的滑移值wⅰ配置一個初始權重係數kⅰ,各計算值乘以各自的權重係數後求和，將該求和值與第二步測得的斷裂構造實際張開閉合值w相減，該差值的平方S殘＝(w-∑wⅰkⅰ)2即為反演的最小二乘殘差平方,根據最小乘法原理，求得使S2最小的權重係數Lⅰ,最終的水下隧道地應力場，由四步至第七步的初始地應力場乘以各自的最終權重係數Lⅰ後求和得到；其中，ⅰ對應鑽孔地應力的各個分量，ⅰ＝1,2…4。
根據上述反演結果，求得適應第四步至第七步的最終權重係數分別為2.1、1.3、0.6、0.4，根據最終權重係數，求得最終水下隧道地應力場如圖2-4所示。
最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。